Frein à pression CNC contrôlé par pompe à servo : analyse de la consommation d’énergie
Par l’auteur : Mark Hanks
La consommation d’énergie est un sujet important lors du choix des freins à pression CNC. Les freins à pression électrohydrauliques traditionnels utilisent des soupapes servo-proportionnelles pour contrôler le mouvement de la poutre supérieure, mais les pertes de structure électrohydrauliques dans cette compétition énergétique causées par l’accélération et le débordement réduisent l’efficacité globale.
Un frein à pression CNC contrôlé par une pompe servo avec servomoteurs à vitesse variable peut contrôler directement le débit et la pression hydrauliques selon les différentes exigences de courbement. Ce système avancé peut réduire la consommation d’énergie inutile, améliorer l’efficacité hydraulique et offrir une meilleure stabilité thermique.
Cet article présentera la comparaison entre les systèmes hydrauliques de servopompe et servo-valve via une analyse de simulation et expliquera pourquoi la technologie de servopompe devient un bon choix pour le formage de tôle économe en énergie.
Qu’est-ce qu’un frein à pression CNC contrôlé par une pompe à servo ?
Un frein à pression CNC avec technologie de pompe servo utilise un système innovant de contrôle du mouvement du bélier à frein à pression au sein de son système hydraulique. Dans ce système, un servomoteur est responsable de l’entraînement de la pompe hydraulique.
Une différence significative entre un frein à pression contrôlé par un système de valve proportionnelle servo traditionnel et un système servo à pompe réside dans la méthode de contrôle d’un débit hydraulique excessif d’huile. Le servo de la pompe modifie la sortie d’huile hydraulique selon les exigences du système pour un cycle de flexion spécifique, ce qui réduit les pertes d’accélération.
À mesure que les fabricants s’intéressent de plus en plus à l’énergie demandée par les procédés de production et aux coûts d’exploitation d’une machine, l’accent se porte sur l’optimisation du processus de production. Des systèmes hydrauliques de freins à pression CNC plus économes en énergie devraient être réalisés dans un avenir proche grâce à des stratégies de contrôle plus intelligentes, telles que la technologie de contrôle par servopompe.
1. Comment fonctionne un système hydraulique à servopompe ?
Le schéma hydraulique du frein à pression CNC commandé par servopompe est illustré à la Figure 1.
Figure 1. Schéma hydraulique d’un frein à presse CNC contrôlé par une pompe à servo
Le processus de fonctionnement du système contrôlé par pompe servo se compose de cinq étapes :
Phase d’approche rapide
Les servomoteurs 1M/2M entraînent la pompe bidirectionnelle à déplacement fixe (3) en rotation vers l’avant, fournissant de l’huile à la chambre sans tige du cylindre hydraulique (12). En même temps, la vanne de remplissage (11) s’ouvre, permettant d’ajouter de l’huile du réservoir de remplissage pour augmenter le débit du cylindre. Le bélier descend rapidement, la vitesse d’approche étant contrôlée par la vitesse du servo-moteur.
Phase d’alimentation opérationnelle
Lorsque l’outil de pliage entre en contact avec la pièce, la vanne de remplissage se ferme. L’huile hydraulique est fournie uniquement par la pompe, permettant à la pression de s’accumuler à l’intérieur du cylindre. La vitesse d’alimentation de travail est précisément contrôlée par la vitesse de rotation du servo-moteur.
Stage Dlive
Après que le bélier atteigne le point mort inférieur, la pompe servo cesse de tourner. Le système maintient la pression pour réduire la déformation de reculement après la courbure.
Étage de décharge de pression
À ce stade, la direction de la pompe change sous le contrôle des servomoteurs, et de l’huile est fournie dans la chambre de la tige. Le bélier monte lentement sous contrôle CNC.
Phase de retour
La pompe servo continue de fonctionner dans le sens inverse. La vanne de remplissage est ouverte pour permettre à l’huile dans la chambre sans tige de retourner dans le réservoir de remplissage. La vitesse de retour est régulée par la vitesse du servo-moteur.
Comparaison entre pompe à servopompe et système hydraulique à valve servo
| Élément comparatif | Système à servovalve contrôlé | Système à pompe à servo |
| Principe de contrôle | Utilise des servovannes et des vannes proportionnelles pour réguler le débit et la pression hydrauliques | Utilise des pompes à déplacement variable actionnées par des servomoteurs pour contrôler directement le débit |
| Vitesse de réponse | Réponse très rapide (typiquement 5–50 ms), adaptée au contrôle dynamique à haute vitesse | Réponse plus lente due à l’inertie de la pompe (typiquement 100–500 ms), mais suffisante pour les applications de frein à pression CNC |
| Efficacité énergétique | Efficacité inférieure due aux pertes par limitation et pertes par débordement ; Une génération accrue de chaleur | Efficacité supérieure car la puissance hydraulique est fournie selon la demande réelle ; Réduit la consommation d’énergie inutile |
| Production de chaleur | Génère plus de chaleur hydraulique, nécessitant souvent des systèmes de refroidissement plus grands | Génère moins de chaleur, améliorant la stabilité de la température de l’huile hydraulique et réduisant les besoins en refroidissement |
| Précision du contrôle | Excellente précision de position, vitesse et contrôle de pression | Haute précision statique avec des performances de suivi dynamique légèrement inférieures |
| Coût du système | Coût des composants plus bas, technologie mature, maintenance plus facile | Investissement initial plus élevé grâce aux servomoteurs et pompes variables |
| Complexité du système | Structure hydraulique plus simple avec des composants de vannes standardisés | Système en boucle fermée plus complexe avec servopompes, électronique de commande et composants hydrauliques supplémentaires |
| Protection contre la surcharge | Soulagement rapide de pression grâce à des soupapes de sécurité, offrant une protection sensible contre la surcharge | Elle dépend principalement de la limitation de puissance de la pompe, avec une réponse à la surcharge plus lente |
| Niveau de bruit | Bruit de commutation de vannes et fluctuations de pression plus élevés | Fonctionnement plus fluide avec moins de bruit hydraulique |
Comme expliqué dans le tableau comparatif ci-dessus, la principale différence entre les systèmes hydrauliques de servopompe et servo-valve réside dans la manière différente de contrôler le débit d’huile hydraulique. Un système de servopompe contrôle la vitesse de la pompe en fonction du débit requis, ce qui est très utile pour réduire les pertes par régulation et la consommation d’énergie inutile. Suiterary, les systèmes de servovannes régulent le flux hydraulique à travers l’ouverture et la fermeture de la vanne, ce qui génère des pertes hydrauliques supplémentaires pendant le fonctionnement.
Système contrôlé par la valve (contrôle de la régulation)
Dans un système hydraulique à commande de vanne, la pompe maintient une pression et un débit constants d’huile. Une valve proportionnelle permet un contrôle complet du débit vers le cylindre hydraulique.
Dans ces conditions, la pression et le débit supérieurs à ceux requis par la charge sont éliminés par régulation au niveau de la vanne ou évacués par une soupape de décharge. Cela convertit l’excès d’énergie hydraulique en chaleur et provoque une perte d’énergie.
Analogie : l’alimentation en eau est complètement ouverte, tandis que le débit est contrôlé en bloquant partiellement la sortie de la conduite avec une vanne d’arrêt. La pression d’eau excédentaire est gaspillée. Ces systèmes utilisent presque toujours un circuit hydraulique ouvert.
Système à commande par pompe (contrôle volumétrique)
Dans un système hydraulique contrôlé par pompe, le mouvement des actionneurs est contrôlé en ajustant le déplacement ou la vitesse d’une pompe à déplacement variable, permettant au système d’assurer le débit et la pression exigés par la charge tout en subissant des pertes minimales par la régulation.
Dans ce système, la sortie de la pompe correspond exactement au débit nécessaire à l’actionneur, ce qui ne crée pratiquement aucun débordement et entraîne presque aucune limitation de la puissance ni perte de chaleur.
Analogie : un système comme celui-ci est très similaire à un système d’eau à pompe contrôlée, pompe à eau à vitesse variable, qui ne gaspille pas de pression excessive. Ces systèmes sont presque toujours conçus comme des circuits hydrauliques fermés, utilisant une pompe à déplacement variable avec un moteur à déplacement fixe ou un cylindre hydraulique.
2. Analyse de la consommation d’énergie des freins à pression CNC
2.1 Configuration et séquence de fonctionnement du modèle
Un modèle de simulation d’un système hydraulique de frein à pression CNC contrôlé par soupapes a été établi, comme montré dans Figure 2, et le modèle du système hydraulique à pompe du frein à pression CNC, comme montré dans Figure 3. Les paramètres de fonctionnement des deux systèmes sont listés dans le Tableau 1.
Figure 2 Modèle de simulation du système hydraulique contrôlé par soupape pour le frein à piston
Figure 3. Modèle de simulation du système hydraulique contrôlé par pompe pour le frein à piston
Tableau 1. Spécifications de temps d’action et de vitesse
| Action | Approche rapide | Flux de travail | Dwell | Décharge de pression | Retour de la course |
| Temps contrôlé par la vanne | 1.5 | 2 | 1.5 | 1.5 | 2 |
| Vitesse (mm/s) | 90 | 8.5 | 0 | 0 | 75 |
| Temps contrôlé par la pompe | 0.75 | 2 | 1.5 | 1.5 | 1 |
| Vitesse (mm/s) | 180 | 8.5 | 0 | 0 | 150 |
Le système de servopompe contrôlé utilise un servomoteur pour réguler directement la vitesse et le débit de la pompe. Les servomoteurs présentent des avantages par rapport aux moteurs traditionnels à vitesse fixe, avec des réponses rapides et des vitesses de rotation élevées qui raccourcissent finalement le temps d’approche et de retour.
Pour une évaluation correcte, les deux systèmes ont été configurés avec les mêmes paramètres hydrauliques. Les principaux réglages sont présentés au Tableau 2.
Tableau 2. Paramètres clés
| Composant / Système | Paramètre | Valeur |
| Cylindre hydraulique (des deux systèmes) | Diamètre du forage | 170 mm |
| Diamètre de la tige | 160 mm | |
| Caresser | 200 mm | |
| Système à commande par vannes | Déplacement de la pompe | 16 cc/régime |
| Vitesse du moteur | 1450 tour/min | |
| Système à commande par pompe | Déplacement bidirectionnel de la pompe | 16 cc/régime |
| Les deux systèmes | Force de charge | 625 000 N (par face) |
| Système à commande par vannes | Courant nominal de la valve servo | 40 mA |
| Fréquence naturelle de la soupape servo | 80 Hz |
Pour le système à commande de soupapes, l’ouverture de la servovalve était ajustée via des signaux de courant d’entrée afin d’atteindre les vitesses requises pour les cylindres. Les vannes directionnelles et de remplissage étaient contrôlées selon la séquence de fonctionnement. La courbe de déplacement du piston est illustrée à la Figure 4.
Figure 4. Cylindre hydraulique Cylindre Cylindre Cylindre Piston vs. Courbe Temporelle
Pour le système contrôlé par la pompe, le servomoteur contrôlait la vitesse de sortie de la pompe et la direction. Le fonctionnement de la vanne de remplissage était contrôlé par commutation directionnelle de vannes, et la courbe de déplacement résultante est également présentée à la Figure 4.
2.2 Combien d’énergie une pompe servo à frein à pression CNC peut-elle économiser ?
Le système contrôlé par la pompe servo réduit le temps de cycle en augmentant la vitesse des phases d’approche rapide et de retour. La taille de l’étape de simulation a été fixée à 0,001 s, avec des temps totaux de simulation de 8,5 s pour le système contrôlé par la vanne et de 6,75 s pour le système contrôlé par la pompe.
Les données de pression et de débit de la pompe bidirectionnelle ont été exportées vers MATLAB pour calculer la consommation d’énergie. Les courbes puissance-temps sont représentées à la Figure 5.
Figure 5. Courbes de puissance vs. temps
Lors des étapes d’alimentation et de retour en fonctionnement, le système contrôlé par la pompe servo affichait une puissance instantanée plus élevée car l’énergie était directement fournie à l’actionneur. En revanche, les systèmes à commande de soupapes subissent des pertes hydrauliques supplémentaires dues à l’accélération et au débordement.
L’intégration numérique de MATLAB a montré que :
• Système contrôlé par pompe servo : environ 43,69 kJ par cycle
• Système à commande par soupapes : environ 124,9 kJ par cycle
Ainsi, dans les mêmes conditions de fonctionnement, le système contrôlé par pompe servo consommait environ 65 % d’énergie en moins que le système contrôlé par valve.
2.3 Réduction du débit d’huile hydraulique et avantages en termes de température
Les courbes d’écoulement hydraulique total d’huile obtenues à partir de la simulation JS Ragos sont illustrées à la Figure 6.
Figure 6. Débit total vs. courbes temporelles
La demande en volume d’huile était calculée en intégrant le débit provenant de la sortie de la pompe et de la vanne de remplissage lors de l’étape d’approche rapide.
À partir des résultats de simulation, nous avons constaté
• Système à pompe servo : ~ 7,53 L
• Système à commande de soupapes : ~ 10,243 L
Au cours du même cycle de fonctionnement, le système contrôlé par la pompe servo nécessitait ~ 26 % de débit d’huile hydraulique en moins.
Quels types de clients conviennent aux freins à pression CNC contrôlés par servopompe ?
Comparée aux systèmes traditionnels, la technologie de contrôle de la pompe a amélioré l’efficacité énergétique, réduit les pertes hydrauliques et amélioré la stabilité thermique. Cependant, l’utilisation de servomoteurs à entraînement direct, de pompes à déplacement variable et de commandes avancées conduit à un coût plus élevé que les systèmes traditionnels.
En raison du prix, la technologie de contrôle des pompes n’est pas idéale pour tous les environnements de fabrication. Cependant, il est particulièrement idéal pour ces environnements de fabrication :
1. Fabricants à fort volume avec de longues heures d’exploitation
Dans la fabrication de tôles, le coût énergétique contribue fortement au coût global lorsque l’atelier fonctionne pendant de longues heures.
Dans les systèmes traditionnels à servovannes contrôlées, l’énergie hydraulique est convertie en chaleur pendant le processus, et cette perte d’énergie est une forme de perte par régulation.
Contrairement aux systèmes traditionnels, un système de contrôle basé sur la technologie de la pompe servo contrôle la sortie de la pompe pour répondre à la demande de chaque opération de courbement. Ce système est conçu pour fournir l’énergie hydraulique requise pour chaque opération afin de minimiser la consommation d’énergie lors d’une production prolongée.
La technologie de contrôle des pompes est idéale pour les industries suivantes :
Fabrication de composants automobiles
Production d’armoires électriques à grand volume
Fabrication de tôle pour gros appareils ménagers
Fabrication de métaux à grande grande quantité
2. Fabricants préoccupés par l’augmentation des coûts énergétiques
La hausse des prix de l’électricité dans l’industrie entraîne des coûts opérationnels plus élevés. Cette situation a contraint les fabricants à prendre en compte les coûts opérationnels lors de l’achat de nouvelles technologies de fabrication.
Dans ce contexte, la technologie de contrôle de pompe offre un avantage concurrentiel aux fabricants situés dans des pays où les coûts d’électricité sont plus élevés, ou à ceux qui souhaitent réduire leur empreinte carbone.
3. Environnements de production stabilisés par le contrôle de température du fluide hydraulique
Les systèmes hydrauliques classiques sont moins efficaces en raison des pertes par régulation, qui génèrent une chaleur inutile. Cela peut entraîner des effets négatifs considérables sur le système hydraulique lors de longues périodes de fonctionnement à grande vitesse.
- Températures élevées du fluide hydraulique
- Dégradation du fluide hydraulique
- Détérioration des joints toriques et des joints d’étanchéité
- Stabilité réduite du système
Les systèmes de servopompe, en éliminant les pertes d’énergie, sont conçus pour produire moins de chaleur et fonctionner avec une plus grande stabilité des températures hydrauliques du fluide.
En conséquence, ils sont plus appropriés pour
- Activités de production dans des environnements à haute température
- Fonctionnement continu des machines de pliage dans des installations de production 24h/24 et 7j/7
- Lignes de production nécessitant une grande stabilité des équipements
4. Entreprises axées sur la valeur de leur investissement
Le prix d’achat d’un système à pompe est généralement supérieur à celui d’un système à vanne. Cependant, la première est conçue pour produire des bénéfices importants à long terme qui compensent essentiellement le coût initial plus élevé, notamment :
- Réduction de la perte d’énergie hydraulique
- Diminution du chauffage du système
- Réduction de la demande de refroidissement
- Amélioration de la stabilité des conditions de fonctionnement des composants hydrauliques
Ces avantages entraînent une réduction des coûts globaux du système et une réduction de l’entretien sur toute la durée de vie du système hydraulique.
Pour les fabricants axés sur la production à long terme de leurs freins à pression, la technologie à commande par pompe est un système plus pratique.
5. Entreprises manufacturières hautement automatisées
Les exigences des lignes de production automatisées modernes incluent :
- Fonctionnement de machines très stables
- Un haut degré de répétabilité
- Production prolongée et, idéalement, continue
Les techniques de production automatisées utilisant des systèmes de contrôle par servopompe à haute stabilité hydraulique sont particulièrement adaptées aux systèmes de production désormais très automatisés qui intègrent des freins à pression robotiques et des cellules de flexion automatisées.
Avantages de la technologie de la pompe servo
1. Vitesse accrue
Le temps de réponse d’un moteur asynchrone entraîné par un variateur de fréquence est d’environ 600 ms. En revanche, avec les moteurs synchrones à aimants permanents et les servo-entraînements, le système peut atteindre un temps de réponse de 50 ms.
2. Contrôle renforcé
Avec un système de commande pompe-servomoteur, un système de contrôle en boucle fermée est mis en place. Les valeurs commandées sont continuellement comparées aux valeurs réelles via des capteurs de vitesse et de pression.
Le système de contrôle ajuste automatiquement le servo-moteur et le système de pompe pour un contrôle optimal de la pression, du débit et du mouvement.
3. Réduction de la consommation d’énergie
Puisqu’un système de commande de pompe à servomoteur est conçu pour être un système de commande à vitesse variable, le servomoteur est capable d’ajuster sa vitesse aux besoins de débit du système. Ainsi, lorsque le système fonctionne à basse vitesse, la consommation d’énergie du système diminue.
Dans différentes configurations de machines et selon les conditions de fonctionnement, les économies d’énergie peuvent se situer entre 30 % et 80 %.
4. Système hydraulique intégrém
Un système de contrôle de pompe à servomoteur permet à une pompe à déplacement fixe d’assurer une sortie proportionnelle. Cela réduit la nécessité de nombreux composants système et permet ainsi un système plus simplifié.
Le système réduit le débordement continu à haute pression et abaisse la température de l’huile hydraulique, ce qui prolonge la durée de vie de l’ensemble du système hydraulique.
5. Réduction du niveau sonore et haute compatibilité environnementale
La fonction de contrôle de vitesse d’un système de commande de pompe à servomoteur signifie que le niveau de bruit du système n’est que suffisant pour la demande de fonctionnement actuelle.
Le niveau sonore typique peut être environ 8 à 10 dB inférieur à celui d’un système hydraulique standard, ce qui améliore considérablement l’environnement acoustique de l’atelier.
Conclusion
Les freins à pression CNC à pompe servo offrent une option plus économe en énergie que le système hydraulique servo à commande proportionnelle à soupapes traditionnelle. En contrôlant directement la vitesse de la pompe et le débit d’huile hydraulique selon les besoins réels de courbe, la technologie de servopompe peut réduire les pertes d’accélération et améliorer l’efficacité globale de l’huile hydraulique.
Selon l’analyse de simulation JS RAGOS, le système contrôlé par pompe servo consommait environ 65 % d’énergie en moins par cycle de flexion par rapport au système contrôlé par servovalve dans les mêmes conditions de fonctionnement. De plus, la réduction de la demande en débit hydraulique aide à diminuer la production de chaleur et à mieux contrôler la température de l’huile hydraulique lors du fonctionnement continu de la machine.
Pour les fabricants de tôlerie à volumes de production élevés, aux longues heures de fonctionnement des machines et à des problèmes d’énergie croissants, les freins à pression servopompe JS Ragos peuvent offrir des avantages significatifs à long terme.
JS RAGOS s’engage à développer des solutions de freins à pression CNC et de formage intelligent de tôle en métal économes en énergie. En apportant la technologie hydraulique avancée à la fabrication pratique, nous aidons les clients à atteindre une production plus efficace et durable.
FAQ
Q1. Qu’est-ce qu’un frein à pression CNC contrôlé par une pompe servo ?
SFrein à pression CNC contrôlé par pompe ERVOs caractéristique avec Les servomoteurs contrôlent directementLingvitesse de la pompe hydraulique et débit de sortie. Comparer avecSystèmes traditionnels à commande de soupapes, il fournit de l’énergie hydraulique selon les besoins réels de flexionet Sauvegarderénergie.
Q2. Combien d’énergie une pompe servo-pompe CNC et frein à pression peut-elle économiser ?
Selon les résultats de simulation JS RAGOS, le système contrôlé par servopompe consommait environ 65 % d’énergie en moins par cycle comparé à un système hydraulique contrôlé par servovalve sous PareilConditions de fonctionnement.
Mais le vraiÉconomies d’énergie sont influencés par de nombreux facteurs tels queConfiguration de la machine, cycle de production, conditions de flexion et horaires de fonctionnement, etc.
Q3. Quoi ?sLa différence entre une pompe servo système Et un système hydraulique à servovalve ?
Un système de servovannes contrôle l’hydraulique Pétrole Écoulement par ContrôleOuverture de la soupapeet fermeture, qui serait résultat dePertes par limitation et Plus hautGénération de chaleur.
Un système de servopompe commande hydraulique Écoulement par Régulationla vitesse de la pompe, permettant de fournir la puissance hydraulique uniquement lorsque nécessaire. Il est plus amical avec l’énergie efficacité, etHuile hydraulique Température.
Q4. Les freins à pression CNC à servopompe conviennent-ils à tous les fabricants ?
Les freins à pression CNC à pompe à servopompe sont particulièrement adaptés pourTôle Fabricants avec de grands volumes de productionetLongues heures d’ouverture.
Pour les clients avec pas élevéUtilisation des machines ou qui Don’Pas assez de budgets, systèmes traditionnels à servovalve contrôlée pourraitReste une option appropriée.
Q5. La technologie des pompes à servopompe peut-elle améliorer les performances des freins à pression CNC ?
Oui. Les systèmes de servo-pompe peuvent améliorer l’efficacité des machines en offrant une approche et un retour plus rapides Vitesse de travailet un fonctionnement plus stable pendant la production continue.
Q6. Un servo-pompe CNC est-il rentable pour un investissement plus élevé ?
Les systèmes à servopompe sont généralement plus coûteux que les systèmes à servo-valve, mais ils peuvent offrir de meilleurs coûts d’exploitation à long terme et un meilleur retour sur investissement grâce à leur consommation d’énergie et leur production de chaleur plus faibles.
